包括梳形－支化共聚物的水性噴墨油墨組合物的製作方法

2023-05-30 00:11:11 3

專利名稱：包括梳形－支化共聚物的水性噴墨油墨組合物的製作方法
技術領域：
本發明涉及水性噴墨油墨組合物和使用這些組合物形成圖像的方法。
背景技術：
噴墨油墨組合物一般由用作載體的載色劑，和如染料或顏料等著色劑組成。為了調節噴墨油墨以獲得所需的綜合性能還可以加入添加劑和/或共溶劑。
一般說來，在液態載色劑中單獨的顏料不易於分散。已經開發出能夠提供可用於噴墨式印刷的穩定顏料分散體的多種技術。例如，可以向顏料加入分散劑以改進它在具體的介質中的分散性。分散劑的實例包括水溶性聚合物和表面活性劑。典型地，這些聚合物分散劑具有低於20,000的分子量以便保持溶解度以及顏料的穩定性。
此外，開發出了改性顏料，提供具有改善的性能(如分散性)的油墨組合物，而無需另外的分散劑。例如，U.S.專利No.5,851,280公開的用於將有機基團附著到顏料上的方法，包括，例如，經由重氮反應附著，其中有機基團是重氮鹽的一部分。所獲的表面-改性顏料可被用於多種用途，如油墨、噴墨油墨、塗料、調色劑、塑料、橡膠、諸如此類。這些改性顏料提供具有良好總體特性的噴墨油墨。
為了改善性能還將除分散劑以外的聚合物加入到噴墨油墨組合物中。例如，已將乳液聚合物或膠乳用作添加劑以改善噴墨油墨的印刷性能。由於乳液聚合物普遍具有高分子量，這使得較高分子量的原料能夠在噴墨油墨的應用中使用。然而，作為乳液聚合物，這些聚合物不可溶且易於導致印刷中的問題，特別是噴嘴堵塞。
此外，還已知其它聚合物-基油墨。例如，U.S.專利No.6,281,267描述了一種噴墨油墨組，包括包含對pH敏感的聚合物的第一油墨和自分散顏料以及第二油墨。若在印刷介質上第一油墨接觸到第二油墨，聚合物變得不可溶並沉澱在印刷介質上。該油墨組被認為具有改善的滲色(bleed)性和環控(halo control)性。
此外，將梳形-支化共聚物用於顏料分散體的製備已有描述。例如，U.S.專利No.6,582,510描述了包括顏料、載體、和丙烯酸類/聚醚梳形-支化共聚物分散劑的顏料分散體，其中該共聚物的聚醚部分不含任何酸性基團。使用常規的顏料，並發現所獲的分散體在油墨和塗料中是有用的。
當噴墨式印刷工業向近似於雷射印刷的印刷性能靠近時，還存在對於具有改善的印刷性能的輔助噴墨油墨組合物和系統的要求，例如改進的印刷耐久性。

發明內容
本發明涉及水性噴墨油墨組合物，其包括a)水性載色劑；b)改性顏料，其包括具有連接上的至少一種有機基團的顏料；和c)至少一種梳形-支化共聚物分散劑。所述有機基團包括至少一種離子基、至少一種可電離的基團、或它們的混合物。所述梳形-支化共聚物包括至少一種丙烯酸類聚合物鏈段和至少一種聚環氧烷鏈段，例如含有丙烯酸類聚合物骨架和至少一種聚環氧烷側鏈的丙烯酸類/聚醚梳形-支化共聚物。
本發明進一步涉及在光滑介質上印刷時將上述水性噴墨油墨組合物用於產生具有改進光澤的圖像。在某些優選實施方案中，在不光滑的介質上印刷時也將這裡所描述的水性噴墨油墨組合物用於產生具有改進光學密度的圖像。獲得在光滑介質上的改進效果而沒有犧牲或降低在不光滑介質上的效果。因此，本發明進一步涉及改善列印在基材上的圖像的至少一種印刷性能(例如光澤)的方法，其包括如下步驟i)製備本文所述的水性噴墨油墨組合物和ii)通過在光滑基材上印刷所述水性噴墨油墨組合物形成圖像。優選的，該方法還是一種改善印刷圖像的光學密度的方法，其包括如下步驟i)製備本文所述的水性噴墨油墨組合物和ii)通過在不光滑的基材上印刷所述水性噴墨油墨組合物形成圖像。
本發明進一步涉及在基材上印刷圖像的方法，其包括如下步驟i)製備如上所述的水性噴墨油墨組合物和ii)通過在光滑基材上印刷所述水性噴墨油墨組合物形成圖像。優選的，若基材是光滑基材，該圖像比在光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大的平均光澤度值，且，更優選的，若基材是不光滑基材，該圖像比在不光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大或相同的光學密度值。
本發明進一步涉及消耗性的水性油墨組，其包括水性噴墨油墨組合物和基材，其中水性噴墨油墨組合物為如上所述。優選的，若基材是光滑基材，通過在光滑基材上印刷所述水性噴墨油墨組合物得到的圖像比在光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大的平均光澤度值。更優選的，若基材是不光滑基材，通過在不光滑基材上印刷所述水性噴墨油墨組合物得到的圖像比在不光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大或相等的光學密度值。
在這裡指出，應理解上述的總體說明和下文的詳細說明均僅僅是示範性的和說明性的以及是用來提供本發明的進一步解釋的。
具體實施例方式
本發明涉及水性噴墨油墨組合物及其應用。
本發明的水性噴墨油墨組合物包括水性載色劑和改性顏料。所述水性載色劑是含有大於50％水的載色劑。例如，該水性載色劑可以是水或水和水溶性的溶劑(例如醇類)的混合物。
本發明的水性噴墨油墨組合物中的改性顏料包括含有連接了至少一種有機基團的顏料。該顏料可以為本領域技術人員通常使用的任何類型的顏料，例如黑色顏料和其它彩色顏料，包括藍色、黑色、褐色、青色、綠色、白色、紫色、品紅色、紅、橙色、或黃色顏料。還可以使用不同顏料的混合物。黑色顏料的代表實例包括各種炭黑(顏料黑7)，例如槽法炭黑、爐黑、和燈黑、且包括，例如，Cabot公司以Regal、Black Pearls、Elftex、Monarch、Mogul、和Vulcan商標出售的炭黑(例如Black Pearls2000、BlackPearls1400、Black Pearls1300、Black Pearls1100、Black Pearls1000、BlackPearls900、Black Pearls880、Black Pearls800、Black Pearls700、BlackPearlsL、Elftex8、Monarch1400、Monarch1300、Monarch1100、Monarch1000、Monarch900、Monarch880、Monarch800、Monarch700、MogulL、Regal330、Regal400、VulcanP)。合適的彩色顏料的種類包括，例如，蒽醌、酞菁藍、酞菁綠、重氮、單偶氮、皮蒽酮、苝、雜環黃、喹吖啶酮、和(硫基)靛類。在市場上可買到來源於BASF公司、Engelhard公司和Sun化學公司等公司的粉末狀或壓濾餅狀的此類顏料。其它合適的彩色顏料的實例描述於第三版Colour Index(The Society of Dyers and Colourists，1982)中。優選地，顏料為青色、品紅色、黃色、或黑色顏料，例如炭黑。
顏料可以具有寬範圍的由氮吸附測定的BET表面積，這取決於該顏料所需的性能。對於本領域技術人員為已知的，較高的表面積與較小的粒度對應。如果對於所需的應用不容易獲得較高的表面積，若需要，可對顏料施以常規的粉碎或研磨技術，例如球磨或噴射研磨，以將顏料的粒度減小，這也是被本領域技術人員公知的。
改性顏料的有機基團包括至少一種離子基、可電離的基團、或離子基和可電離基團的混合物。離子基是陰離子或陽離子的並與相反電荷的反離子(counterion)相聯繫，該反離子包括無機或有機的反離子，例如Na+、K+、Li+、NH4+、NR′4+、乙酸根、NO3-、SO4-2、R′SO3-、R′OSO3-、OH-、和Cl-，其中R′表示氫或有機基團，例如取代或未取代的芳基和/或烷基。可電離基團是能夠在所用的介質中形成離子基的基團。可電離陰離子基團形成陰離子而可電離陽離子基團形成陽離子。有機離子基團包括描述於U.S.專利No.5,698,016中的那些，其中的描述在這裡全部引入作為參考。
陰離子基團是可由含有可形成陰離子的可電離取代基的基團(可電離陰離子基團)，例如酸性取代基，產生的帶負電荷的離子基團。它們還可以是可電離的取代基的鹽中的陰離子。陰離子基團的典型的實例包括-COO-、-SO3-、-OSO3-、-HPO3-、-OPO3-2、和-PO3-2。可電離陰離子基團的典型實例包括-COOH、-SO3H、-PO3H2、-R′SH、-R′OH、和-SO2NHCOR′，其中R′表示氫或有機基團，例如取代或未取代的芳基和/或烷基。優選地，有機基團包括羧酸基、磺酸基、硫酸酯基，或它們的鹽。
陽離子基團是可由可形成陽離子的可電離取代基(可電離陽離子基團)，例如質子化了的胺類，產生的帶正電荷的有機離子基團。例如，可在酸性介質中將烷基或芳基胺類質子化以形成銨基-NR′2H+，其中R′表示有機基團，例如取代的或未取代的芳基和/或烷基。陽離子基團還可以是帶正電荷的有機離子基團。實例包括季銨基(-NR′3+)和季鏻基(-PR′3+)。這裡，R′表示氫或有機基團，例如取代或未取代的芳基和/或烷基。優選地，有機基團包括烷基胺基團或其鹽或烷基銨基團。
有機基團還可以是聚合物基團。優選地，聚合物基團包括如上所述的離子或可電離的基團。由此，有機基團可以是包括一種或多種陰離子或可電離陰離子基團的聚合物基團。實例包括，但不限於，聚酸，例如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、丙烯酸或甲基丙烯酸的共聚物，包括苯乙烯-丙烯酸聚合物，和含馬來酸酐水解衍生物的聚合物。有機基團還可是包括一種或多種陽離子或可電離陽離子基團的聚合物基團。實例包括，但不限於，線性或支化多胺，例如聚乙烯亞胺(PEI)、乙亞胺的低聚物(例如五亞乙基胺，PEA)和聚乙烯亞胺的衍生物。
本發明的水性噴墨油墨組合物還包括至少一種梳形-支化共聚物分散劑。本領域已知的，梳形-支化共聚物含有兩種不同的聚合物鏈段-聚合物主鏈和多個聚合物側鏈。本發明的用於噴墨油墨組合物的梳形-支化共聚物分散劑是含有至少一種丙烯酸類聚合物鏈段和至少一種聚環氧烷鏈段的共聚物的特定種類。優選地，丙烯酸類聚合物鏈段是梳形-支化共聚物分散劑的主鏈且聚環氧烷鏈段是側鏈並包括U.S.專利No.6,582,510、6,214,958、6,034,208、5,614,017、5,670,578、5,985,989、和5,834,576所描述的共聚物。在優選的丙烯酸類-聚環氧烷梳形-支化共聚物中，最優選的是在其中丙烯酸類聚合物鏈段是丙烯酸或其鹽的均聚或共聚物從而可包含丙烯酸和/或丙烯酸鹽單體單元的那些。另外，聚環氧烷鏈段包括環氧乙烷單元、環氧丙烷單元或兩者。優選的梳形-支化共聚物分散劑的實例包括Lyondell化學公司在市場上出售的EthacrylTM分散劑。
梳形-支化共聚物具有適合於用作分散劑的材料的分子量。一般地，分子量大於約500和低於約500,000。優選的共聚物分子量為約1,000至100,000，更優選地為從約5,000到約80,000，而最優選地為從約10,000到約50,000。
在整個共聚物分子量之內，梳形-支化共聚物分散劑的每一聚合物鏈段的分子量可以進行變化。例如，丙烯酸類聚合物鏈段的分子量可以在30,000和150,000之間(例如38,000至127,000)且聚環氧烷鏈段的分子量可以低於5,000(例如2,000至3,000)。
如先前所述，本發明的水性噴墨油墨組合物包括水性載色劑、改性顏料、和梳形-支化共聚物分散劑。其中的每一組分以這樣的量存在，該量可以有效地提供所需的圖像質量(例如，光學密度)而不會對噴墨油墨的效果造成不利影響。例如，一般地，改性顏料的用量基於噴墨油墨組合物的重量在約0.1％至約20％的範圍內。梳形-支化共聚物分散劑的用量可以根據分子量和聚合物組合物等因素來改變。
一般地，用於噴墨油墨組合物的分散劑相對於100份顏料處於約0.5至約15份的水平。在該範圍之外的用量水平一般地產生出分散性能差的噴墨油墨，例如大的顏料粒度。雖然梳形-支化共聚物也可以以常規用量水平使用，但進一步發現梳形-支化共聚物分散劑還可以以大於約15份的用量水平使用而不會對改性顏料的分散性造成不利影響。例如，使用如此高用量水平的共聚物分散劑的噴墨油墨組合物中的改性顏料的粒度通常為約200nm或更少。
本發明的水性噴墨油墨組合物可以以最少的附加組分(添加劑和/或共溶劑)和工藝步驟形成。然而，還可向這些噴墨油墨組合物加入適當的添加劑以賦予若干所需的性能同時保持組合物的穩定性。例如，可添加表面活性劑以進一步增強組合物的膠態穩定性。其它添加劑在本領域為大家所熟知且包括潤溼劑、殺菌劑、粘結劑、乾燥促進劑、滲透劑、諸如此類。具體的添加劑的用量根據多種因素變化，但通常地基於噴墨油墨組合物的重量在0％和40％的範圍之內。另外，本發明的噴墨油墨組合物可進一步加入染料以改進色彩平衡和調節光學密度。此類染料包括食用染料、FDC染料、酸性染料、直接染料、活性染料、酞菁磺酸的衍生物(包括銅酞菁衍生物)、鈉鹽、銨鹽、鉀鹽、鋰鹽、諸如此類。使用此處描述的改性顏料和未改性的顏料、其它的改性顏料、或兩者也在本發明的範圍之內。
可使用例如上述的用於改性顏料及其分散體的方法對噴墨油墨組合物進行提純和/或分級。也可使用任選的反離子交換步驟。這樣，可以移除不需要的雜質或不希望的大顆粒以生產具有良好總體特性的油墨。
本發明的水性噴墨油墨組合物可用於在各種基材上產生具有改進的總體特性的列印圖像。雖然一般已知使用與包括具有附著的有機基團的顏料的改性顏料相結合的分散劑，包含具有至少一種丙烯酸類聚合物鏈段和至少一種聚環氧烷鏈段的梳形-支化共聚物的特定種類的本發明噴墨油墨組合物，在多種不同的列印性能方面提供意想不到的改進。例如，令人吃驚地發現若在光滑基材上列印，與使用不包含梳形-支化共聚物或包含替代的分散劑的噴墨油墨組合物產生的圖像相比，上述水性噴墨油墨組合物可用於產生具有改進的光澤度的圖像。光滑基材可以是本領域中任何已知的，包括，例如，任何親油墨的聚合物塗覆基材，例如透明的或塗覆有聚合物的紙基材。此外，在例如普通紙(plain paper)的多孔基材上列印的圖像上還發現同等的或改進的光學密度。光滑介質上的光澤度以及不光滑或多孔介質(例如普通紙)上的光學密度之間的效果的平衡，表明相比現行的噴墨油墨具有明顯的優勢。
由此，本發明進一步涉及改善在基材上印刷的圖像的至少一種印刷性能的方法，其包括製備上述的水性噴墨油墨組合物和通過在特定基材上印刷該噴墨油墨組合物形成圖像的步驟。在一個實施方案中，該方法是改善印刷在光滑基材上的圖像的光澤度的方法。這裡使用的，術語″光澤度″是指來自印刷圖像的表面的鏡面反射的量的客觀量度，且通常地在從法向軸(normalaxis)起20度處並包括(integrated over)正或負0.9度測量。優選地，在此方法改善列印圖像的光澤度的同時，圖像的霧度基本不會改變。術語″霧度″指的是靠近反射角的散射光的量，例如，舉例來說，在正好在該區域外的0.9度寬的區間測量光澤度。典型地，用於改進光澤度的方法還產生基本上具有更高的霧度的圖像，也就是說，在光滑基材上形成的圖像的霧度和光澤度都有提高。對於本發明的方法，改善光澤度的同時，霧度保持基本不變。最優選地，改善印刷在多孔或不光滑基材上的圖像的光學密度的方法也是改善光澤度的方法，多孔或不光滑基材例如普通紙。由此，已發現使用這裡所述的方法在光滑介質上產生的圖像若印刷在不光滑基材上也具有同等或改善的光學密度。本領域普通技術人員使用本發明的方法還可發現其它印刷性能的改進。
本發明進一步涉及在基材上印刷圖像的方法，其包括如下步驟i)製備如上所述的水性噴墨油墨組合物和ii)通過在光滑基材上印刷所述水性噴墨油墨組合物形成圖像。光滑基材的實例包括上述的那些。優選的，若基材是光滑基材，該圖像比在光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大的平均光澤度值。由此，在一個實施方案中，本發明的方法是產生具有高光澤度的圖像的方法。
更優選的，此外，若基材是不光滑基材，該圖像比在不光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大或相同的光學密度值。不光滑基材的實例包括上述的那些。由此，使用本發明的方法產生的圖像最優選地若印刷在光滑基材上具有高光澤度以及若印刷在不光滑基材上具有高光學密度。對於噴墨式印刷油墨而言，性能的平衡是難以實現的。
本發明進一步涉及消耗性的水性油墨組，其包括水性噴墨油墨組合物和基材，其中該水性噴墨油墨組合物是如上所述的。優選的，若基材是光滑基材，通過在光滑基材上印刷所述水性噴墨油墨組合物得到的圖像比在光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大的平均光澤度值。更優選的，此外，若基材是不光滑基材，該圖像比在不光滑基材上通過印刷不含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物得到的圖像具有更大或相同的光學密度值。再次，對於噴墨油墨列印的圖像而言，印刷性能特徵的平衡難以實現。
通過下列本質上僅為示例的實施例將進一步闡明本發明。
實施例噴墨油墨組合物的製備實施例1-8描述本發明的包含改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物的製備。對比例1-2描述用於對比的包含改性顏料和非梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物的製備。
實施例1A-I使用下列總的程序製備九種水性噴墨油墨組合物。
在125ml塑料Nalgene瓶子中，在攪拌下將33gCab-O-Jet彩色顏料分散體(10.0wt％的改性顏料的水分散體，該改性顏料包括Cabot公司在市場上出售的含有附著的磺酸基的顏料)和40wt％的EthacrylTMP20的水溶液進行組合以製備顏料預混料。EthacrylTMP20是Lyondell化學公司出售的具有含丙烯酸聚合物主鏈和聚(環氧乙烷-環氧丙烷)側鏈的梳形-支化共聚物分散劑。該分散劑的分子量為90,000，聚環氧烷側鏈的分子量是3,000，環氧乙烷/環氧丙烷的比例為66.8/28.7，以及酸含量為4.6wt％。對於每個實施例，用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表1中列出。
表1-顏料預混料

使用具有0.5英寸直徑尖頭的Misomix超聲波儀以7檔功率將所獲的混合物超聲處理2分鐘。
通過將下面表2中所列的組份進行組合以製備載色劑預混料。
表2-載色劑預混料

通過向玻璃管瓶(vial)加入水、載色劑預混料、和顏料預混料(按此順序)，手工攪拌，並經由1微米GMF150 Puradisc過濾器(Whatman公司有售)過濾來製備本發明的水性噴墨油墨組合物。每個組份的用量，以及所獲顏料濃度，在下面的表3中列出。
表3-水性噴墨油墨組合物

實施例2A-C除了使用30份EthacrylTMP2013代替EthacrylTMP20以外，使用實施例1中所述的工序製備出三種水性噴墨油墨組合物。EthacrylTMP2013是Lyondell化學公司有售的具有含丙烯酸的聚合物主鏈和聚(環氧乙烷-環氧丙烷)側鏈的梳形-支化共聚物分散劑，其類似於EthacrylTMP20，但具有更高的分子量(130,000)。
用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表4中列出。
表4-顏料預混料

所用的水、載色劑預混料(與實施例1中的相同)、和顏料預混料的用量在下面的表5中列出。還包括所獲顏料的濃度。
表5-水性噴墨油墨組合物

實施例3A-C
除了將20份Joncryl 586(Johnson聚合物公司有售的，分子量Mw為4,600且酸數為108的水溶性苯乙烯丙烯酸類共聚物)加入到顏料預混料中以外，使用實施例2中的工序製備三種水性噴墨油墨組合物。製備並使用Joncryl586的10％水溶液。用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表6中列出。
表6-顏料預混料

所用的水、載色劑預混料(與實施例1中的相同)、和顏料預混料的用量在下面的表7中列出。還包括所獲顏料的濃度。
表7-水性噴墨油墨組合物

實施例4A-C
除了將20份Joncryl 683(Johnson聚合物公司有售的，分子量Mw為8,000且酸數為165的水溶性苯乙烯丙烯酸類共聚物)加入到顏料預混料中以外，使用實施例2中的工序製備三種水性噴墨油墨組合物。製備並使用Joncryl 683的10％水溶液。用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表8中列出。
表8-顏料預混料

所用的水、載色劑預混料(與實施例1中的相同)、和顏料預混料的用量在下面的表9中列出。還包括所獲顏料的濃度。
表9-水性噴墨油墨組合物

實施例5A-C
除了將20份Joncryl 678(Johnson聚合物公司有售的，分子量Mw為8,500且酸數為215的水溶性苯乙烯丙烯酸類共聚物)加入到顏料預混料中以外，使用實施例2中的工序製備三種水性噴墨油墨組合物。製備並使用Joncryl678的10％水溶液。用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表10中列出。
表10-顏料預混料

所用的水、載色劑預混料(與實施例1中的相同)、和顏料預混料的用量在下面的表11中列出。還包括所獲顏料的濃度。
表11-水性噴墨油墨組合物

實施例6A-C
除了將20份Joncryl 685(Johnson聚合物公司有售的，分子量Mw為8,500且酸數為270的水溶性苯乙烯丙烯酸類共聚物)加入到顏料預混料中以外，使用實施例2中的工序製備三種水性噴墨油墨組合物。製備並使用Joncryl 685的10％水溶液。用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表12中列出。
表12-顏料預混料

所用的水、載色劑預混料(與實施例1中的相同)、和顏料預混料的用量在下面的表13中列出。還包括所獲顏料的濃度。
表13-水性噴墨油墨組合物

實施例7A-C
除了使用不同的載色劑預混料以外，使用實施例4中所述的工序製備出三種水性噴墨油墨組合物。由此，通過將下面表14中所列的組份進行組合以製備載色劑預混料。
表14-載色劑預混料

用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表15中列出。
表15-顏料預混料

所用的水、載色劑預混料、和顏料預混料的用量在下面的表16中列出。還包括所獲顏料的濃度。
表16-水性噴墨油墨組合物

實施例8A-C除了使用不同的載色劑預混料以外，使用實施例4中所述的工序製備出三種水性噴墨油墨組合物。由此，通過將下面表17中所列的組份進行組合以製備載色劑預混料。
表17-載色劑預混料

用於製備每一顏料預混料的具體組份和用量在下面的表18中列出。
表18-顏料預混料

所用的水、載色劑預混料、和顏料預混料的用量在下面的表19中列出。還包括所獲顏料的濃度。
表19-水性噴墨油墨組合物

對比例1A-C除了使用非梳形-支化共聚物分散劑以外，使用實施例1中所述的工序製備出三種水性噴墨油墨組合物。不添加分散劑，並從而不製備顏料預混料。取而代之的，直接使用彩色顏料分散體。載色劑預混料與實施例1中的相同。
由此，通過向玻璃管瓶加入水、載色劑預混料、和彩色顏料分散體(按此順序)，手工攪拌，並經由1微米GMF150 Puradisc過濾器(Whatman公司有售)過濾來製備對比的水性噴墨油墨組合物。每個組份的用量，以及所獲顏料濃度，在下面的表20中列出。
表20-對比的水性噴墨油墨組合物

對比例2A-F除了使用各種常規分散劑代替EthacrylTMP20以外，使用實施例1中的工序製備出六種水性噴墨油墨組合物。這些分散劑均不是梳形-支化共聚物分散劑。
由此，通過向125ml塑料Nalgene瓶加入含有非梳形-支化共聚物分散劑的33g Cab-O-Jet260M彩色顏料分散體(10.0wt％的包括Cabot公司在市場上出售的具有附著的磺酸基的品紅色顏料的改性顏料的水分散體)和適量的補給水來製備顏料預混料，適量的補給水使得每種分散體中總顏料固體的含量為9.22％。對於每個實施例，所使用的具體組份和用量在下面的表21中列出。使用具有0.5英寸直徑尖頭的Misomix超聲波儀以7檔功率將所獲的混合物超聲處理2分鐘。
表21-顏料預混料

*Tego和Dispers分散劑由Tego Chemie Service GmbH提供，它是德國Degussa AG集團的分公司。Disperbyk分散劑由BYK-Chemie提供，它是德國Bad Homburg的AltanaAG的分公司。
通過向玻璃管瓶加入水、載色劑預混料、和顏料預混料(按此順序)，手工攪拌，並經由1微米GMF150 Puradisc過濾器(Whatman公司有售)過濾來製備對比的水性噴墨油墨組合物。每個組份的用量，以及所獲顏料濃度，在下面的表22中列出。
表22-對比的水性噴墨油墨組合物

水性噴墨油墨組合物的印刷性能實施例9-12對本發明的水性噴墨油墨組合物和上述對比例的水性噴墨油墨組合物的印刷性能進行比較。
實施例9將實施例1-3的水性噴墨油墨組合物(包括改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑)和對比例1的水性噴墨油墨組合物(包括改性顏料但沒有梳形-支化共聚物分散劑)裝入設計用於Canon i550噴墨式印表機的列印盒中並測試印刷性能。對於每個實施例，將含有相似的組合物的青色、品紅色、和黃色試樣一起使用作為油墨組。下面的表23列出了所用的油墨組和相應的噴墨油墨組合物。
表23-油墨組

使用Canon i550噴墨式印表機印刷圖像。對於在光滑基材上的印刷測試，在Canon PR-101相紙上印刷由40種色片(colored patch)(6種固體色料青色、品紅色、黃色、紅色、綠色、和藍色，和34種中間色(intermediate shades))構成的光澤度測試圖樣，並在測試前乾燥24小時。使用BYK-Gardner顯微霧度和光澤度測量計(micro haze plus gloss meter)測量這些圖像在20度的光澤度和霧度。在下面的表24和表25中列出結果。
表24-平均光澤度和霧度

如表24中的數據所示，對於油墨組1ADG、1BEH和1CFI(這些油墨組包含具有含量提高的梳形-支化共聚物分散劑的噴墨油墨組合物)，隨著梳形-支化共聚物含量的提高，在20度的光澤度增高。對於這些油墨組，僅測量了6種固態色片的光澤度並將其平均。通過僅測量6種固態色片而讀取的平均光澤度一般地高於測量全部40種色片得到的平均光澤度，因為沒有包括較低光澤度的顏色。對於油墨組2、3、7、8和對比的油墨組1，測量了全部40種色片的光澤度並將其平均。
表24中的數據表明包含本發明的噴墨油墨組合物(包含改性的顏料和梳形-支化共聚物分散劑)的油墨組比包含對比的噴墨油墨組合物(包含改性的顏料但無梳形-支化共聚物分散劑)的油墨組在光滑基材上產生的圖像具有更大的平均光澤度值。此外，將油墨組1ADG、1BEH和1CFI與對比油墨組1進行比較，該數據還表明平均霧度值非常近似且因此其不受添加的梳形-支化共聚物的用量的影響。此外，雖然油墨組2的霧度值高於對比油墨組1的霧度值，但在觀察者看來增加的部分並不顯著，因此不會有損於圖像的整體改善的光澤度。最後，油墨組7和8(較本發明的另一個油墨組使用不同的載色劑而製備)表明在各種油墨配方中使用梳形-支化共聚物分散劑皆可獲得改善的光澤度。由此，該數據表明本發明的噴墨油墨組合物可用於在光滑基材上產生具有良好光澤度性能的圖像。
通過用手指摩擦部分色片，還對部分的上述油墨組進行了耐久性測試。在樣品印刷後緊接著實施測試，也在印刷後5分鐘和24小時處進行。如果圖像被嚴重擦髒(smear)，則認為耐久性差。同樣的，如果只出現些許擦髒至沒有擦髒，則認為耐久性優異。在下面的表25中列出結果。
表25-耐久性

如數據所示，包含本發明的噴墨油墨組合物(包含改性的顏料和梳形-支化共聚物分散劑)的油墨組2和3比包含對比的噴墨油墨組合物(包含改性的顏料但無梳形-支化共聚物分散劑)的油墨組在光滑基材上產生的圖像具有更好的耐久性。特別地，用油墨組2產生的圖像在印刷後即刻的耐久性和用對比油墨組1產生的圖像的在印刷24小時後的耐久性一樣好。此外，在油墨組3中使用苯乙烯-丙烯酸類共聚物進一步改善圖像在印刷後即刻的以及24小時後的耐久性。
由此，包括改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑的本發明的噴墨油墨組合物，較之包括改性顏料但無梳形-支化共聚物分散劑的對比噴墨油墨組合物，可用於在光滑基材上產生具有改善的印刷性能的圖像。
實施例10將對比例2的水性噴墨油墨組合物的若干種(包括改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑)和對比例1的水性噴墨油墨組合物(包括改性顏料和各種非梳形-支化共聚物分散劑)裝入設計用於Canon i550噴墨式印表機的列印盒中並列印圖像和測試印刷性能。對於在光滑基材上的印刷測試，包括各種色密度的品紅色色片的光澤度測試圖樣印刷在Canon PR-101相紙上並在測試前乾燥24小時。使用BYK-Gardner顯微霧度和光澤度測量計測量這些圖像在20度的光澤度和霧度。通過測量3種品紅色色片(高密度、中密度、和低密度)的光澤度和霧度以得到均值。在下面的表26中列出結果。
表26-平均光澤度和霧度

可將表26中的數據與表24中關於油墨組2的數據進行比較，因為二者都包含同樣含量的聚合物分散劑且油墨配方相同。數據表明包含本發明的噴墨油墨組合物的油墨組2(包含改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑)在光滑基材上產生的圖像具有的平均光澤度值大於包含對比噴墨油墨組合物(包含改性顏料和非梳形-支化共聚物分散劑)的油墨組的平均光澤度值。因此，梳形-支化共聚物分散劑較之常規分散劑與改性顏料的組合賦予圖像總體上更好的印刷性能。
實施例11測定使用油墨組4在不光滑基材上產生的圖像的光學密度(OD)性能。使用HP Bright White、Xerox 4024、Hammermill Copy Plus、和Great White 24H作為不光滑基材(普通紙印刷(plain paper printing))。將所獲圖像乾燥24小時並進行光學密度測量。在下面的表27中列出結果，表示的是全部4種紙組上的每種顏色的平均最大光學密度。
表27-普通紙上的平均最大OD

如表27中數據所示，包含本發明的噴墨油墨組合物的油墨組具有與包含對比噴墨油墨組合物的油墨組一樣的OD。這是特別引人注意的，因為如表25中數據所示，油墨組2在光滑基材上產生的圖像的光澤度明顯地高於對比油墨組1在光滑基材上產生的圖像的光澤度。一般地，加入分散劑(例如用於本發明的噴墨油墨組合物的梳形-支化共聚物分散劑，已發現其提高了列印在光滑基材上的圖像的光澤度)可期待在普通紙上產生具有低得多的光學密度的圖像。由此，本發明的噴墨油墨組合物，其可用於在光滑基材上形成具有改善性質的圖像，也可用於在普通紙上形成具有良好性質的圖像。
實施例12「多用途的」噴墨油墨組合物是在多種介質上具有良好印刷性能的那些。為了確定本發明的噴墨油墨組合物的多用性，在光滑介質和不光滑介質上均形成圖像。測量在光滑介質上產生的圖像的光澤度和在不光滑介質上產生的圖像的光學密度。將結果與使用市場上有售的噴墨油墨組合物在相同介質組上產生的圖像相比。
使用三種油墨組。實施例12A為油墨組3，即本發明的噴墨油墨組合物，實施例12B為Dupont FusionTM油墨組，以及實施例12C為來自Epson C-84DurabriteTM油墨的顏料組。對於實施例12A和12B，將相應的油墨組裝入設計用於Canon i550噴墨式印表機的列印盒中。對於實施例12C，使用EpsonC-84印表機列印油墨組。對於全部3個組，將彩色圖像(青色、黃色、和品紅色)列印在光滑介質以及普通紙上並乾燥24小時。使用兩種不同的印表機設置進行列印一個是用於普通紙以及另一個是用於光滑紙。Canon PR101相紙用作光滑基材，同時使用4種不同類型的普通紙Hammermill Copy Plus、HP Bright White、Great White 24H、和Xerox 4024。
測量使用兩種印表機設置列印在每種基材上的每個青色、品紅色、和黃色圖像的光學密度。在下面的表28、29和30中列出結果。
表28-實施例12A的光學密度測量結果

表29-實施例12B的光學密度測量結果

表30-實施例12C的光學密度測量結果

這些油墨組中的每一個在組成或配方(顏料百分數、載色劑等)上各不相同，因此不可能將用於列印在普通紙上的圖像的每個組之間的光學密度性能直接進行比較。然而，因為光滑介質被認為是無孔的，可假設列印在光滑介質上的圖像的光學密度是對於列印油墨的用量可達到的最大光學密度。由此，可將列印在普通紙基材上的圖像的光學密度性能與光滑基材上的圖像的光學密度性能進行比較，因為用於兩者列印的油墨的量是相同的。在普通紙上與在光滑介質上的OD的比值可看作效率值--比值越接近1，在普通紙上光學密度越接近最大值。
在這種情況下，因為將全部油墨組列印到相同的基材組上，可對效率值進行比較。因此，從表28、29、和30中的數據計算得到效率值。在下面的表31中列出該結果。
表31

將每個實施例的每種顏色的效率值平均，然後獲得全部顏色的總平均值。在下面的表32中列出結果。
表32-在光滑和不光滑基材上的性能

還在表32中列出平均光澤度值，其是對使用實施例9中描述的方法在光滑介質上產生的彩色圖像進行測定得到的。實施例12C產生的圖像中的一些極其模糊且讀取不到光澤度。因此，該實施例的平均光澤度值僅包括霧度不高的圖像的平均光澤度值，使得實施例12C的平均光澤度值高於實際的平均光澤度值。
表32中的數據表明實施例12A(其包括本發明的噴墨油墨)具有在不光滑介質上的高光學密度以及在光滑介質上的高光澤度。這同樣符合於該油墨組中的每種單獨的顏色(見表31)。實施例12B的油墨組在普通紙上具有更好的光澤度但具有明顯低的光學密度。實施例12C的油墨組顯示出同樣良好的光學密度性能，但具有相當低的光澤度(具體考慮到，因為上述討論的霧度問題，光澤度值高於實際光澤度值)。
由此，本發明的包括改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑的噴墨油墨組合物是在普通紙和光滑基材兩者上均表現出良好綜合性能的多用途的油墨。
對比噴墨油墨組合物的製備對比例3-4描述包括常規顏料和梳形-支化共聚物分散劑的對比水性噴墨油墨組合物的製備。
對比例3使用非改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑製備水性噴墨油墨組合物。由此，將311.1g顏料紅122的32.2wt％的水性壓濾餅(presscake)與770ml水和20ml 4500ppm NaHCO3溶液在L4RTA型Silverson轉子-定子混合器中混合60分鐘。所獲的10wt％水性品紅色分散體具有1.539微米的平均體積粒度(mean volume particle size)，使用Honeywell UPA測量，其不適於用作水性噴墨油墨組合物。
向其加入50g EthacrylTMP20(20份/每100份顏料)的40wt％水溶液，並在Silverson轉子-定子中將分散體混合另外15分鐘。所獲的分散體(8.9％固體)具有0.3914微米的平均體積粒度，使用具有0.5英寸直徑尖頭的Misomix超聲波儀在9檔功率(18passes)通過超聲波處理進一步將其減小至0.1971微米。使用滲濾膜濃縮該分散體至9.6％固體並使用Pall過濾器過濾至1微米，以形成具有平均體積粒度為0.1823微米的對比水性噴墨油墨組合物。
在處於70℃(degrees C)1個星期後，分離該對比水性噴墨油墨組合物，顯示出相當差的穩定性。作為對比，Cab-O-Jet260M彩色顏料分散體(其為包括Cabot公司在市場上出售的具有附著的磺酸基的品紅色顏料的改性顏料的10.0wt％水分散體)在同樣條件下保持穩定。此外，實施例1-8的水性噴墨油墨組合物(即本發明的水性噴墨油墨組合物)在這些條件下也保持穩定。
由此，本發明的包括改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑的噴墨油墨組合物是穩定的分散體，甚至與包括與梳形-支化共聚物分散劑一起分散的作為非改性顏料的顏料的對比組合物相比，處於分散劑的相對高的水平。
對比例4使用非改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑製備水性噴墨油墨組合物。為此，通過將1.05g EthacrylTMP2013的40wt％水溶液溶解在25.95g的水中，然後加入8g品紅色壓濾餅(32.2wt％顏料紅122，Sun化學公司在市場上出售)製備出分散體。所獲的分散體是8wt％顏料，對於每100份顏料，分散劑含量為15份。在燒杯中使用磁力攪拌棒以低剪切攪拌，將該分散體攪拌一夜，再使用具有0.5英寸直徑尖頭的Misomix超聲波儀在7檔功率超聲處理10分鐘，獲得平均體積粒度為0.2299微米(使用Honeywell UPA測定)的品紅色顏料分散體。這表明該分散體可用作水性噴墨油墨組合物。
在處於60℃(degrees C)14小時後，該對比水性噴墨油墨組合物膠凝，顯示出相當差的穩定性。作為對比，Cab-O-Jet260M彩色顏料分散體(其為包括Cabot公司在市場上出售的具有附著的磺酸基的品紅色顏料的改性顏料的10.0wt％水分散體)在同樣條件下保持穩定。此外，實施例1-8的水性噴墨油墨組合物(即本發明的水性噴墨油墨組合物)在這些條件下也保持穩定。
由此，本發明的包括改性顏料和梳形-支化共聚物分散劑的噴墨油墨組合物是穩定的分散體，與包括與梳形-支化共聚物分散劑一起分散的作為非改性顏料的顏料的對比組合物相比。
出於說明和描述的目的，給出了本發明的優選實施方案的上述描述。這不是為了窮舉或為了將本發明限制為所公開的精確形式。在上述教導的啟示下進行改進和變化是可能的，或在本發明的實踐中可得到改進和變化。為了解釋本發明的原理，選擇和描述了所述實施方案及其實際應用，使得本領域的技術人員能夠在適合於所設想的具體用途的各種實施方案和各種改進中應用本發明。本發明的範圍通過權利要求及其等價物來限定。
權利要求
1.一種水性噴墨油墨組合物，包括a)水性載色劑；b)改性顏料，其含有具有附著的至少一種有機基團的顏料；和c)至少一種梳形-支化共聚物分散劑，其含有至少一種丙烯酸類聚合物鏈段和至少一種聚環氧烷鏈段。
2.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該有機基團包括至少一種離子基團、至少一種可電離基團、或它們的混合物。
3.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該顏料包括藍色顏料、黑色顏料、褐色顏料、青色顏料、綠色顏料、白色顏料、紫色顏料、品紅色顏料、紅色顏料、黃色顏料、或它們的混合物。
4.根據權利要求2的水性噴墨油墨組合物，其中該顏料為青色顏料、品紅色顏料、黃色顏料、或黑色顏料。
5.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該有機基團包括至少一種羧酸基團、磺酸基團、硫酸烷基酯基團、烷基胺基團、烷基銨基團、或它們的鹽。
6.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該有機基團為聚合的。
7.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該梳形-支化共聚物分散劑包括丙烯酸類聚合物主鏈和至少一種聚環氧烷側鏈。
8.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該丙烯酸類聚合物鏈段包括丙烯酸單體單元。
9.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該聚環氧烷鏈段包括環氧乙烷單體單元。
10.根據權利要求9的水性噴墨油墨組合物，其中該聚環氧烷鏈段進一步包括環氧丙烷單體單元。
11.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該梳形-支化共聚物分散劑具有從約1,000到100,000的分子量。
12.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該梳形-支化共聚物分散劑具有從約5,000到80,000的分子量。
13.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該梳形-支化共聚物分散劑具有從約10,000到50,000的分子量。
14.根據權利要求1的水性噴墨油墨組合物，其中該水性噴墨油墨組合物包括相對於100份改性顏料大於或等於15份的該梳形-支化共聚物分散劑。
15.根據權利要求14的水性噴墨油墨組合物，其中該改性顏料在該水性噴墨油墨中具有小於或等於200nm的粒度。
16.一種包括水性噴墨油墨組合物和基材的消耗性水性油墨組，其中該水性噴墨油墨組合物包括a)水性載色劑；b)改性顏料，其含有具有附著的至少一種有機基團的顏料；和c)至少一種梳形-支化共聚物分散劑，其含有至少一種丙烯酸類聚合物鏈段和至少一種聚環氧烷鏈段，且其中若該基材為光滑基材，則通過在該光滑基材上印刷該水性噴墨油墨組合物形成的圖像比通過在該光滑基材上印刷不包含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物所形成的圖像具有更大的平均光澤度值，且若該基材為不光滑基材，則通過在該不光滑基材上印刷該水性噴墨油墨組合物形成的圖像比通過在該不光滑基材上印刷不包含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物所形成的圖像具有更大或相等的光學密度值。
17.根據權利要求16的消耗性的水性油墨組，其中該光滑基材為聚合物片或塗覆有聚合物的紙基材，以及其中該不光滑基材為普通紙。
18.一種在基材上印刷圖像的方法，其包括如下步驟i)製備水性噴墨油墨組合物，該水性噴墨油墨組合物包括a)水性載色劑；b)包括具有附著的至少一種有機基團的顏料的改性顏料；和c)包括至少一種丙烯酸類聚合物鏈段和至少一種聚環氧烷鏈段的至少一種梳形-支化共聚物分散劑；和ii)通過在光滑基材上印刷該水性噴墨油墨組合物形成圖像。
19.根據權利要求18的方法，其中若該基材為光滑基材，則該圖像比通過在該光滑基材上印刷不包含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物所形成的圖像具有更大的平均光澤度值，且若該基材為不光滑基材，則該圖像比通過在該不光滑基材上印刷不包含梳形-支化共聚物分散劑的水性噴墨油墨組合物所形成的圖像具有更大或相等的光學密度值。
20.根據權利要求19的方法，其中該光滑基材為聚合物片或塗覆有聚合物的紙基材以及其中該不光滑基材為普通紙。
全文摘要
本發明涉及一種水性噴墨油墨組合物，其包括水性載色劑、改性顏料、和梳形－支化共聚物分散劑。所述改性顏料包含具有附著的至少一種有機基團的顏料，其中該有機基團包括至少一種離子基團、至少一種可電離基團、或它們的混合物；以及所述梳形－支化共聚物分散劑包括丙烯酸類聚合物鏈段和聚環氧烷鏈段。還公開了改善印刷在光滑和不光滑介質上的圖像的性能的方法。
文檔編號C09B67/00GK1984973SQ200580023394
公開日2007年6月20日 申請日期2005年5月11日 優先權日2004年5月11日
發明者麥可·S·維奧拉 申請人:卡伯特公司